基于微電網的電力電子變壓器控制策略研究

周 鵬，蔡新紅，曹冰玉

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子832000）

0 引言

隨著大量的分布式能源入網以及負荷的多樣化需求，微電網的穩定性面臨著巨大的挑戰。而交直流混合微電網擁有直流配網和直流負載，能夠有效提高配電網的效率，適用性較強，可降低電網建設成本，是未來配電網的發展方向[1，2]。但因分布式能源的發電特性直接并網會對整個電力系統的造成巨大的沖擊，損害電網系統，在負載接入微網時，無法保證供電的可靠性，因此為了提高混合微網的穩定性，需要研究出一種行之有效的控制策略來解決分布式能源并網的問題。

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）是一種結合了電力電子變壓器和高頻變換器的新型功率轉換裝置，該裝置與傳統PET相比交具有體積小、穩定性高、重量輕和可控性好的特點，應用于混合微網中可改善電能質量。由于它具有直流接口和交流接口，因此便于各類負荷和分布式電源的接入，而且它不僅具有傳統變壓器的電氣隔離和電壓變換的功能，還具有無功補償能力、抑制諧波能力和瞬時關斷能力，結合現代控制技術還可實現能量主動調控和多向流動[3-5]。因此，對PET的深入研究可有效改善混合微電網的穩定性，提高電能質量，減少電網運行成本，提高電力系統的穩定性[6]。

根據PET工作原理和拓撲結構可將PET分為兩AC/DC/AC型PET，它含直流環節，而本文以三級式AD/DC/AC型PET為研究對象，提出了兩種控制策略來有效提高微電網運行的穩定性，其中輸出級采用SVPWM雙閉環控制，隔離級采用開環控制，輸出級分別采用電壓閉環控制以及基于虛擬同步電機原理的控制策略并搭建了基于Matlab/Simulink的微網配電仿真系統，驗證了這兩種控制策略的有效性。

1 交直流混合微電網結構

基于PET的典型交直流混合微網系統，如圖1。該系統一般將10 kV的配網做主網來運行。通過PET的聯接功能，形成直流微網和交流微網兩種微網，在直流微網中DER主要是利用DC-DC直流變換器來并網，在交流微網中DER主要是利用DC-AC，AC-DC-AC變換器來并網。在自然界中各分布式能源都是通過對自身的運行特性、運行成本和運行效率等因素的分析，來選擇接入的形式為直流接入還是交流接入。通常光伏和風能的分布式能源既能直流接入也可交流接入，而蓄電池，超級電容，燃料電池，混合蓄電池這些分布式能源則是直接選擇直流接入[7-9]。

圖1 交直流混合微網系統

2 PET工作原理和拓撲結構

2.1 PET工作原理

三級式AC-DC-AC型PET的工作原理如圖2，首先將輸入的交流電通過一次側電力變換器經過整流器整流為直流電，再將變換過的直流電通過逆變電路變換為高頻方波信號，并將高頻方波信號輸入到高頻變壓器的一次側，經過高頻變壓器轉換后將一次側高頻方波耦合為電壓等級較低的高頻方波并經過二次側輸入到二次側電力轉換器，將高頻方波整流為直流電，再逆變為負載所需的交流電輸出[10]，本文所研究的三級式電力電子變壓器不僅擁有直流接口還有交流接口，便于接入交直流系統且變流器靈活可控。

圖2 AC-DC-AC型PET原理

2.2 PET拓撲結構

AC-DC-AC型PET的拓撲結構如圖3，該拓撲結構的輸入級將交流信號通過三相整流橋整流為直流信號；之后再通過隔離級的單相全橋逆變器將直流信號逆變為高頻方波信號再經過高頻變壓器調制為電壓等級較低的高頻方波信號，最后通過整流器整流為直流電輸入到輸出級，經過輸出級逆變為負荷所需的工頻交流電輸出，這種三級式PET即擁有兩個直流環節，能夠對信號進行有效控制，還可以調節輸入功率因數和抑制諧波，可以保證其電能質量的穩定性。

圖3 AC-DC-AC型PET拓撲結構

3 PET控制策略設計

3.1 輸入級控制策略及數學模型

PET的輸入級是將頻交流信號整流為直流信號，起整流作用，由于早期整流級使用的為二極管、晶閘管構成的整流電路，該電路能量不能雙向流動、可控性較低、諧波污染較大[11]。因此在輸入級中對整流器本文采用雙閉環三相PWM空間矢量調制技術[12]，該技術能夠實現功率因數可控，并且能夠使得諧波有效減少，可有效控制直流電壓，其拓撲結構如圖4。

圖4 AC-DC-AC型PET輸入級拓撲結構

由于在工作時每組橋臂的上下橋臂只有一個導通，因此，這三組橋臂有8種開關狀態，分別為（000）～（111），這八種開關狀態也對應八個電壓空間矢量ur，分別為u0（000）到u7（111）[13]。用空間矢量表示為：

本文輸入級所采用的為電壓源型整流器，控制策略為雙閉環控制策略，其數學模型如下。

設輸入級整流器的開關函數s為：輸入電壓為半徑為2/3udc的矢量圓，如圖5。當sasbsc=（000）～（111）時，對應的電壓空間矢量為u0（000）～u7（111）。

根據SVPWM電壓空間矢量分析其輸入電壓空間矢量可得到三相靜止abc坐標系中的輸入級PWM整流器數學模型。

輸入級的輸入三相電源電壓為：

其中，ω是電源電壓的角頻率，φ是電流和電壓的相位差。

圖5 整流級的輸入電壓空間矢量圓

根據圖 4，結合式（2）、（3）對交流側用 KVL 可得：

其中，ura=saudc+uon，urb=sbudc+uon，urc=scudc+uon，Uon為下橋臂節點和電源中性點間的電壓。

由于整個系統是一個三相對稱系統，根據交直流側KVL可以得到PWM整流器的數學模型為：

3.2 隔離級控制策略及數學模型

PET的隔離級是采用兩組H橋變換器和一個高頻變壓器組成，其拓撲結構如圖6，其主要作用是將輸入級輸出的直流信號逆變為高頻方波信號，再經過高頻變壓器耦合到副邊，再整流逆變為直流信號給輸出側，主要起電氣隔離和電壓等級變換的作用。為了減少系統的復雜程度，對于隔離級采用開環控制。

3.3 兩種輸出級控制策略及數學模型

PET的輸出級是將從隔離級得到的直流信號逆變為負載所需的工頻交流電，起到逆變作用，也被稱為逆變級，輸出級采用的是三相電壓橋式逆變器，其拓撲結構如圖7，其是由直流電源、三相橋式逆變電路、LC濾波器和負載組成，主要作用是在系統非正常運行時，保證輸出電壓的穩定，能夠給微電網提供一個穩定高效的電能，提高電能質量，根據PET輸出級的拓撲結構通過兩種不同的控制策略進行研究分析。

圖6 AC-DC-AC型PET隔離級拓撲結構

圖7 AC-DC-AC型PET輸出級拓撲結構

3.3.1 電壓閉環控制策略

PET輸出級主要是給負載側提供一個恒定的交流電壓，并且能夠在負載側出現電壓波動和變化的時候依然能夠使輸出電壓保持穩定，輸出級可以采用電壓閉環控制，其控制原理圖如圖8，控制過程為：將輸出的交流電壓經過Park變換轉換為d軸和q軸分量ud和uq，然后和定值做差，并將所得的差值通過調節器進行調節，之后再經過clark變換得到參考電壓矢量，最后將電壓矢量經過空間矢量脈寬調制SVPWM得到開關驅動信號從而控制逆變器的開關管[13]。

根據KVL得到三相靜止坐標系下的數學模型為：

式中 R為開關管損耗等效電阻和濾波電感等效電阻之和；L為濾波電感。

圖8 AC-DC-AC型PET輸出級控制原理

把三相靜止坐標系下的數學模型轉換到d-q坐標系下為：

3.3.2 基于虛擬同步發電機原理的控制策略

在微電網中PET的輸出級是與微電網直接相連，為微網所接入的負載提供電壓和頻率支持。由于PET的輸入級采用的是三相逆變器，其開關元件開斷時間較短，能量轉換速度過快，由于三相逆變器缺乏轉動慣量和阻尼特征所以當負載側出現波動時，電壓和頻率波動劇烈，會影響電力系統的穩定性，降低了電能質量。近幾年，隨著同步電機和電力電子技術的發展，使得電力電子變壓器能夠基于虛擬同步電機（Virtual Synchronous Generator，VSG）技術具備一定的轉動慣量和阻尼特性[14-15]，其控制原理如圖9所示。控制過程為：基于該技術下的PET輸出級控制系統是由兩部分組成：①外環VSG控制，通過控制虛擬調速器和虛擬勵磁調節器來調節負載電壓和相角；②內環控制為電壓電流雙閉環控制，其作用是將外環VSG所輸出的電壓和相角的參考值經雙閉環控制轉換為調制波，最后通過SVPWM模塊生成開關管的脈沖信號，并采用PR控制器來實現對交流分量的無靜差跟蹤，可以有效減少靜態誤差，提高系統穩定性。

圖9 AC-DC-AC型PET輸出級控制原理

通過對控制原理圖的分析可得到PET輸出級數學模型為：

式中 udc為PET直流低壓側電壓；m0為調制比；θ為移相角。

4 仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真環境下搭建了AC-DCAC型PET仿真模型，并進行了仿真實驗驗證。通過仿真實驗可以驗證兩種不同控制策略下的PET輸出級對電網控制的有效性。

4.1 PET輸入級仿真

PET輸入級采用的是雙閉環PWM控制策略，根據其控制策略和數學模型搭建出仿真模型并進行仿真驗證，其主要仿真參數如表1所示，仿真結果如圖10，圖11所示。從仿真結果可以看出，當電路達到穩定時，輸入電壓電流呈正弦穩定狀態，且相位相同，高壓側直流電壓也能夠迅速達到設定值，且保持穩定，因此基于雙閉環PWM控制策略的輸出級對電壓電流控制效果較好。

表1 輸入級電路主要參數

圖10 輸入級交流側電壓、電流波形

圖11 輸入級高壓直流側電壓波形

4.2 PET隔離級仿真

PET隔離級是由兩個H橋和一個高頻變壓器組成，采用開環控制，其仿真電路主要參數如表2所示，仿真結果如圖12，圖13，圖14所示。通過仿真結果可以看出高頻變壓器的一次側和二次側電壓在穩態時均為方波電壓，電壓值也較為穩定，因此隔離級采用開環控制可以給PET輸出級輸送穩定的直流電壓。

表2 隔離級電路主要參數

圖12 隔離級高頻變壓器一次側電壓

圖13 隔離級高頻變壓器二次側電壓

圖14 隔離級輸出直流電壓

4.3 兩種不同控制策略下的PET輸出級仿真

隨著電力電子技術的迅速發展，其PET控制策略也在不斷地研究探索，本文通過對PET輸出級兩種不同控制策略的研究和數學模型的搭建以及仿真實驗的驗證，可以看出當PET輸出級采用電壓單閉環控制策略時其輸出的電壓電流波形存在諧波且含量較大，影響微電網的電能質量，降低了電力系統的穩定性，而當PET輸出級采用基于虛擬電機原理的控制策略時由于虛擬電機原理會使輸出級具有轉動慣量和阻尼特征，并通過雙環控制可以有效地改善諧波污染，其輸出的電流電壓波形為正旋波形，提高了電能質量和穩定性。

4.3.1 電壓閉環控制

PET輸出級的作用是將隔離級輸出的直流電壓逆變為負載所需的交流電壓，并保證電壓功率的穩定，當PET輸出級采用電壓單閉環控制策略時，其電路主要仿真參數如表3所示，其仿真結果如圖15，圖16所示。從仿真結果可以看出在額定的負載下其輸出的電壓電流波形為穩定的正旋波，能夠給負載提供穩定的電壓電流，并能保證負載所需的功率。

表3 輸出級電路主要參數

圖15 輸出級三相輸出電壓

圖16 輸出級A相輸出電壓

4.3.2 基于虛擬電機原理控制策略

表4 輸出級電路主要參數

PET輸出級采用基于虛擬電機原理的恒壓恒頻控制策略，并選取虛擬電機的轉動慣量為0.5，阻尼系數為20，其電路主要參數如表4所示，仿真結果如圖17，圖18所示。通過仿真結果可以看出，基于虛擬電機原理的輸出級所輸出的電壓電流呈正旋波形，且諧波較少，且系統頻率變換較為平緩，能夠為負載提供穩定的電能。

圖17 輸出級三相輸出電壓

圖18 系統頻率

5 結論

近幾年隨著分布式能源的不斷發展，以及各類清潔能源的不斷入網，加大了對電力系統穩定性和微電網為負載提供穩定電能的考驗，而電力電子變壓器具備可控性高，穩定性好，擴展性強等特點以及能夠有效改善分布式能源入網對電網的沖擊，加強電力系統的穩定性，能夠為負載提供更加高質量的電能。因此，電力電子變壓器的研究一直為學者們的研究熱點，隨著電力電子變壓器的不斷研究，未來智能化微電網的發展會越來越迅速。本文在典型的ACDC-AC型三級式電力電子變壓器的拓撲結構上，針對PET的輸出級采用了電壓閉環控制和基于虛擬同步電機原理的恒壓恒頻控制兩種不同的控制策略，并通過仿真實驗驗證了控制策略的有效性，通過仿真不難發現，這兩種控制策略均能夠為負載提供穩定可靠地電能環境，并能夠有效地減少諧波污染，而且在采用恒壓恒頻控制策略的基礎上引用基于虛擬同步電機原理的阻尼系數和轉動慣量可以更加有效地減少靜態誤差和諧波干擾，能夠在負載發生突變或者電源發生變化時迅速準確的響應，并能夠迅速做出反應來保證電力系統的穩定性，提高電能質量，改善電能環境，為負載提供更加可靠的電能。